Hocheffiziente Umrichter mit Siliziumkarbid-Halbleitern

Abb. 1: Beispiel einer Ausgabe von HeCSiC

In diesem von der ECPE geförderten Projekt sollen die technischen sowie wirtschaftlichen Vorteile von Siliziumkarbidhalbleitern in Wechselrichtern mit Hilfe des entwickelten Auslegungstools HeCSiC nachgewiesen werden. In die Software HeCSiC werden zunächst Daten der Halbleiter eingegeben, mit der eine Berechnung der Durchlass- und Schaltverluste ermöglicht wird. Anschließend wird ein durch freie Konvektion gekühlter Kühlkörper ausgelegt, der die Verluste der Halbleiter abführen kann. Außerdem können zusätzliche Komponenten, wie ein LC-Ausgangsfilter, betrachtet werden.

Mit HeCSiC können verschiedene Auslegungsparameter, wie Schaltfrequenz, Chipfläche, Sperrschichttemperatur, usw. bequem variiert werden. Kenngrößen, wie Verluste, Wirkungsgrad, Kühlkörpervolumen und Kosten, können in Diagrammen dargestellt werden (Abb. 1).

Aus diesen Diagrammen können die optimalen Auslegungsparameter bestimmt werden. Weiterhin können die Berechnungen und Diagramme für mehrere Halbleitertypen erstellt werden, so dass ein direkter Vergleich möglich ist. Das Beispiel in Abb. 1 zeigt, dass mit SiC-JFETs bei gleichem Kühlkörpervolumen deutlich höhere Leistungen erzielt werden können als mit Silizium-IGBTs. Innerhalb dieses Projekts werden SiC-JFETs mit Silizium-IGBTs des neuesten Typs verglichen. Mit den SiC-JFETs wurden Schaltversuche durchgeführt, um die nötigen Daten zu extrahieren (Abb. 2).

Abb. 2: Schaltvorgang eines SiC-JFETs

Durch Variation der Auslegungsparameter und Betrachtung der Kosten für den Wechselrichter, wurden Applikationen gefunden, in denen der SiC-JFET auch wirtschaftliche Vorteile gegenüber dem Si-IGBT bietet.

Im nächsten Schritt wird ein Wechselrichter mit SiC-JFETs aufgebaut, um die Ergebnisse des Auslegungstools HeCSiC zu verifizieren und um zu zeigen, dass gekapselte Umrichter ohne Lüfter bei den angestrebten Leistungsniveaus möglich sind. Auslegungsziele für den Wechselrichter sind:

• Nennleistung 10kW,
• Schaltfrequenz 50kHz,
• max. Sperrschichttemperatur 175°C,
• Kühlkörpervolumen 4 Liter.

Ansprechpartner Leibniz Universität Hannover